1　引言
      5G牌照已經(jīng)發(fā)放，5G商用開始有序部署。5G網(wǎng)絡處于產(chǎn)業(yè)化培育應用的關鍵時期，5G高精度同步網(wǎng)作為必不可少的基礎支撐網(wǎng)絡，急需在技術和產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面盡快推動，以有力支撐5G商用的順利開展。
    本文首先分析5G系統(tǒng)時間同步需求，闡述采用地面同步組網(wǎng)解決5G系統(tǒng)同步的必要性,提出高精度同步通用組網(wǎng)模型，并重點分析面向5G系統(tǒng)同步的高精度源頭、高精度同步傳輸、高精度同步監(jiān)測等關鍵技術，為我國后續(xù)5G同步技術方案選擇及組網(wǎng)策略制定、國際國內標準推動、同步網(wǎng)平滑演進等提供參考。
    2　5G高精度時間同步需求
    5G同步用于支撐5G網(wǎng)絡和業(yè)務，包括頻率同步和時間同步，其中頻率同步需求與其他無線通信系統(tǒng)相同，即優(yōu)于±0.05ppm，而時間同步要求則更加嚴格，本文重點關注5G時間同步。根據(jù)應用場景和同步精度的不同，5G系統(tǒng)時間同步需求包括基本同步需求、站間協(xié)同增強同步需求以及5G所支撐的新業(yè)務提出的高精度同步需求。
    5G系統(tǒng)基本同步需求是所有時分復用（TDD）制式無線通信系統(tǒng)的共性要求，主要是為避免上下行時隙干擾，從而需對基站空口時間偏差進行嚴格限定。對于4G TDD系統(tǒng)，采用固定子載波間隔15kHz，保護周期GP（Guard Period）配置單符號，在一定覆蓋范圍內，其要求基站間時間偏差應小于3μs。5G系統(tǒng)均采用TDD制式，其具有子載波間隔可靈活擴展的特點，通過在GP中靈活配置多個符號的方式，使得基站間時間偏差要求仍為小于3μs，與4G TDD一致。
    5G系統(tǒng)站間協(xié)同增強主要包括多天線MIMO、多點協(xié)調、載波聚合等，為確保協(xié)同有效，來自不同協(xié)同點信號的時間差不能超過循環(huán)前綴CP ( Cyclic Prefix），從而對協(xié)同點之間的時間偏差提出了100ns量級甚至更高的苛刻時間同步要求。
    在5G網(wǎng)絡支撐的多種新業(yè)務中，典型的是基站定位服務。隨著高精度定位服務需求爆炸式增長，作為定位服務提供的重要手段，基于5G系統(tǒng)基站定位極具潛力。一般來說，定位精度與時間同步精度直接相關，例如要實現(xiàn)3m的定位精度，要求基站間的空口信號同步偏差為±10ns。
    3　5G高精度時間同步組網(wǎng)模型
    3.1　5G高精度同步地面組網(wǎng)必要性分析

長期以來，運營商主要采用在基站加裝衛(wèi)星接收機的方式滿足無線移動通信系統(tǒng)的同步需求。在4G時代，部分運營商通過地面同步組網(wǎng)方式解決無線基站的同步問題，但一般作為備用，或者用于解決衛(wèi)星信號難以覆蓋區(qū)域的基站同步，如地鐵、地下車庫、部分城區(qū)高樓等。
    相對于4G系統(tǒng)，5G系統(tǒng)具有如下新的同步需求特點。
    （1）同步需求精度更高。5G系統(tǒng)既有μs量級的基本業(yè)務同步需求，也有100ns量級的協(xié)同增強技術同步需求，還有其他新業(yè)務的更高精度同步需求，基站直接通過普通衛(wèi)星接收機單站授時難以完全滿足要求。
    （2）同步應用場景更加復雜。5G系統(tǒng)的一大特點是部分應用場景基站部署密度大，隨著中國城市化不斷推進，室內基站占比增大，將會存在大量無法獲取衛(wèi)星信號的5G基站部署場景。
    （3）同步的安全可靠性要求更加嚴格。同步是確保5G系統(tǒng)安全可靠運行的前提，鑒于5G系統(tǒng)本身及其所支撐業(yè)務的重要性，相應對同步的安全可靠性也提出更高的要求?？紤]到衛(wèi)星信號受到無意或有意干擾導致失效的情況越來越多，衛(wèi)星信號被攻擊（如偽衛(wèi)星欺騙）的案例時有發(fā)生，5G同步完全依賴于衛(wèi)星授時將會帶來極大的安全隱患。
    （4）成本方面更加敏感。5G基站部署規(guī)模大，若每個基站均加裝衛(wèi)星接收機，設備投資和運維成本巨大，而通過承載網(wǎng)絡帶內方式實現(xiàn)地面高精度同步組網(wǎng)，建設與運維成本相對較低。
    鑒于上述分析，為滿足5G系統(tǒng)的同步需求，解決衛(wèi)星覆蓋盲點問題，提升安全可靠性，節(jié)約建設和運維成本，研究建設自主可控、安全可靠的高精度時間同步網(wǎng)是大勢所趨。需要說明的是，建設高精度地面時間同步網(wǎng)，并不會一步到位完全替代基站衛(wèi)星授時方案，兩者是天地互備的關系，將會長期共存、相互補充。
    3.2　5G高精度同步通用組網(wǎng)模型

國內CCSA，國外ITU-T、3GPP、CPRI、IEEE以及ORAN等多個標準化和行業(yè)組織正針對5G同步解決方案開展研究。目前來看，相對于光纖授時、網(wǎng)絡時間協(xié)議NTP（Network Time Protocol）等技術，基于高精度時間協(xié)議PTP（Precision Time Protocol）組網(wǎng)是5G高精度時間同步的最主要實現(xiàn)方案。
基于PTP的5G高精度時間同步通用組網(wǎng)模型如圖1所示。作為源頭設備的高精度時間服務器（PRTC/ePRTC）可采用衛(wèi)星授時關鍵技術，在衛(wèi)星不可用的情況下，可通過地面獲取超高精度時間同步信號（如通過光纖授時溯源至國家守時單位），從而確保5G時間同步網(wǎng)自主可控。PRTC/ePRTC通常同時實現(xiàn)祖時鐘GM（GrandMaster）功能，因此圖1參考點A一般位于設備內部，在這種情況下無需對其性能要求進行規(guī)范。

                                                        圖1　5G 高精度時間同步通用組網(wǎng)模型
    高精度時間服務器的性能指標應滿足ITU-TG. 8272.1標準的要求，即時間精度應優(yōu)于±30ns。圖1參考點B和C之間屬于5G時間同步網(wǎng)的核心部分，可采用高精度同步傳輸技術實現(xiàn)高精度同步承載，屬于由多個電信用邊界時鐘（T-BC）組成的同步鏈。需要強調的是，單個節(jié)點的時間同步性能和網(wǎng)絡規(guī)模（時間同步鏈的跳數(shù)）是B與C之間承載部分同步指標的兩個重要制約參數(shù)。為了提升端到端同步性能，擴大組網(wǎng)規(guī)模，要求傳輸設備單節(jié)點時間同步精度應優(yōu)于一定的限值（如ITU-T G.8273.2規(guī)定類型C和類型D的T-BC的時間誤差在10ns量級甚至更?。?。
    圖1中參考點C或D屬于5G時間同步網(wǎng)與無線末端設備（如5G基站）的連接點，可考慮采用高精度同步接口（如帶內10GE/25GE）進行對接，降低局內互聯(lián)引入的時間誤差。在5G組網(wǎng)中，通過對5G網(wǎng)絡無線接入網(wǎng)（RAN）側功能的重新劃分，以及基于以太網(wǎng)的eCPRI接口在前傳中的使用，圖1中從時鐘（Slave）可能和末端應用（如AAU）集成在同一設備中，因此參考點D有可能位于無線設備內部。
    5G同步需求一般是以無線空口（圖1參考點E）間的相對時間偏差來衡量，而同步網(wǎng)一般通過實現(xiàn)相對于協(xié)調世界時（UTC）的絕對時間精度來滿足無線側的相對時間精度要求。例如，為了滿足兩個AAU的無線空口參考點E之間的相對時間偏差（如3μs），要求每個AAU無線空口輸出相對于UTC的絕對時間偏差滿足一定的限值即可（如±1.5μs）。
需要強調的是，高精度時間同步網(wǎng)通常采用逐級主從組網(wǎng)方式，這是一種經(jīng)典的組網(wǎng)模式，在傳統(tǒng)頻率同步網(wǎng)建設中已得到成功應用。逐級主從組網(wǎng)方式的鮮明特點是，由于噪聲累積效應，傳輸鏈路越長，經(jīng)過節(jié)點數(shù)越多，信號劣化就越顯著。因此，在實際組建高精度時間同步網(wǎng)時，應考慮需要縮小組網(wǎng)范圍，如基于地縣的區(qū)域性組網(wǎng)；另外一種組網(wǎng)思路是將源頭設備下沉，盡量靠近網(wǎng)絡末端基站，降低網(wǎng)絡承載部分對同步性能的影響，實現(xiàn)扁平化組網(wǎng)。
    4　5G 高精度同步關鍵技術分析
    同步網(wǎng)一般由同步節(jié)點設備以及用于連接節(jié)點設備的定時鏈路構成，5G高精度地面時間同步網(wǎng)也不例外。組建5G高精度地面時間同步網(wǎng)，涉及若干關鍵技術，包括作為節(jié)點設備的高精度源頭技術、用于組建地面定時鏈路的1588技術、進行全網(wǎng)管理的監(jiān)測技術等。
    4.1　高精度同步源頭技術

    高精度同步源頭的實現(xiàn)與衛(wèi)星授時技術密不可分。衛(wèi)星授時的精度取決于衛(wèi)星系統(tǒng)、大氣層、接收系統(tǒng)、本地鐘源、鎖相環(huán)和分發(fā)接口等多個要素。在眾多衛(wèi)星授時技術中，衛(wèi)星單頻授時應用最為廣泛，但由于受到大氣環(huán)境多方面因素影響，授時精度受限，只能實現(xiàn)百納秒級同步精度，無法滿足高精度同步設備30ns量級的需求。衛(wèi)星雙頻技術可以消除大氣電離層延遲誤差，可顯著提升授時精度，可以作為今后高精同步源頭設備的主要實現(xiàn)技術。衛(wèi)星共視技術可進一步消除衛(wèi)星鐘和傳播路徑的有關誤差，實現(xiàn)遠距離高精度溯源，可以作為高精度同步的測量技術選擇。

    需要說明的是，近年來，我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)不斷完善并加緊部署應用，其中北斗二代已于2012年正式商用，北斗三代將于2020年年底前完成組網(wǎng)并投入商用，北斗系統(tǒng)在通信網(wǎng)中的應用規(guī)模將進一步擴大，從而有助于擺脫對其他國家衛(wèi)星導航系統(tǒng)的依賴，提升了通信網(wǎng)絡的安全可靠性。采用基于北斗系統(tǒng)的雙頻技術將是未來高精度同步源頭設備主流實現(xiàn)技術的選擇。
    4.2　高精度同步傳輸技術

    高精度同步傳輸用于組織定時鏈路，是5G高精度同步組網(wǎng)的關鍵環(huán)節(jié)。目前來看，1588v2技術在電信網(wǎng)中應用規(guī)模大、成熟度高、互聯(lián)互通性好，建議在現(xiàn)有配置的基礎上通過優(yōu)化實現(xiàn)細節(jié)提升精度，包括打戳位置盡量靠近物理接口、提升打戳分辨率、提升系統(tǒng)實時時鐘（RTC）同步精度、加強模塊間協(xié)作、選取優(yōu)質晶振等，這樣有利于5G高精度時間同步網(wǎng)絡的快速部署和成熟商用。此外，業(yè)界也比較關注白兔子（WR）、1588v2.1等其他高精度同步傳輸技術，但無論是WR技術，還是新版本1588標準，均屬于全新的高精度傳輸實現(xiàn)方案，相對于1588v2優(yōu)化方案，實現(xiàn)難度大，目前暫時不作為高精度同步傳輸技術。
    考慮到1588v2技術在實際應用中易受光纖不對稱性影響，建議5G時間同步網(wǎng)在條件具備時盡量采用單纖雙向方式進行1588v2的部署應用。另外，針對1588v2開通和運維，建議引入軟件定義同步網(wǎng)功能，增強同步網(wǎng)絡安全可靠性，提高運維管理效率。
    4.3　高精度同步監(jiān)測技術

    對于5G高精度同步網(wǎng)，安全可靠運行至關重要，有必要建立監(jiān)測系統(tǒng)，對全網(wǎng)同步運行質量進行實時監(jiān)控和管理。在監(jiān)測方式方面，包括基于網(wǎng)絡設備自身監(jiān)測功能實現(xiàn)的相對性能監(jiān)測，以及采用探針等外部設備進行的絕對性能監(jiān)測。
對于基于網(wǎng)絡設備自身監(jiān)測功能實現(xiàn)的相對性能監(jiān)測，具體監(jiān)測項目和監(jiān)測要求在相關標準中已有規(guī)范[4]；對于采用外部設備進行的絕對性能監(jiān)測，在網(wǎng)絡中的適當位置部署支持衛(wèi)星共視功能的外部探針設備作為監(jiān)測點，同時全網(wǎng)配置一個公共的參考基準站和數(shù)據(jù)處理中心，基于衛(wèi)星共視法，可以獲取網(wǎng)絡中各個監(jiān)測點與公共參考基準站之間的時間偏差，通過數(shù)據(jù)處理中心的大數(shù)據(jù)分析處理，可以準確掌握全網(wǎng)同步的運行狀況。
    基于網(wǎng)絡設備內置功能實現(xiàn)監(jiān)測，相對來說實現(xiàn)起來比較簡單，無需額外設備，但由于該監(jiān)測方式只是對網(wǎng)絡局部進行相對監(jiān)測，無法對全局網(wǎng)絡進行監(jiān)測，并且要求所涉全部設備都需支持特定的監(jiān)測功能，因此實際應用起來存在一些弊端。通過外置設備基于共視法進行監(jiān)測，可以實現(xiàn)全網(wǎng)同步性能的實時監(jiān)測，從長遠來看是一種較好的監(jiān)測方式，但初期需要一定的建設成本，并且具體監(jiān)測方案有待進一步研究，包括監(jiān)測點數(shù)量和位置選擇、權威公共參考基準站的選擇或建設、如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)在監(jiān)測點與基準站及數(shù)據(jù)處理中心的傳送、合理的數(shù)據(jù)處理算法、監(jiān)測評估指標的確定等。
    5　結束語
    面向5G的同步需求特性明確，既有與4G相同的微秒量級基本同步需求，也有5G協(xié)同增強提出的百納秒級同步需求，還有以定位需求為代表的納秒級同步要求。通過5G高精度同步組網(wǎng)，滿足5G系統(tǒng)多種業(yè)務的同步需求，解決5G網(wǎng)絡復雜部署場景同步問題，實現(xiàn)天地互備，避免完全依賴衛(wèi)星授時帶來的安全隱患，進一步提升5G應用的安全可靠性。
    為了滿足5G系統(tǒng)高精度同步需求，支撐各種具有高精度同步要求的應用場景，業(yè)界正抓緊對同步源頭技術、同步傳輸技術、同步監(jiān)視技術等方面持續(xù)開展研究。從源頭技術來看，雙頻技術更適合于高精度時間同步網(wǎng)的建設部署，尤其是基于自主北斗系統(tǒng)的雙頻技術會成為應用主流；從同步傳輸技術來看，1588v2技術目前仍是高精度同步的基本傳輸技術，可以進一步對其進行改良及增強以滿足多場景高精度同步傳送需求；從高精度同步監(jiān)測技術來看，存在基于衛(wèi)星信號的絕對監(jiān)測和基于設備自身功能的相對監(jiān)測等方式，可根據(jù)業(yè)務要求、網(wǎng)絡規(guī)模、成本預算等因素綜合選擇，預計最終基于衛(wèi)星共視法的絕對性能監(jiān)測方式將是今后應用的方向。
    總體來看，隨著5G系統(tǒng)商用化的不斷推進，作為基礎支撐網(wǎng)絡，5G同步網(wǎng)研究及方案部署需進一步加速推動。結合運營商5G承載技術及組網(wǎng)架構，繼續(xù)研究5G同步網(wǎng)演進策略、高精度同步測試技術、同步網(wǎng)安全等內容，推動制定和完善5G高精度同步方案，全力支撐5G系統(tǒng)商用部署。